2022 Fiscal Year Annual Research Report
Search for exotic quasiparticles by angle-resolved photoemission spectroscopy
Project/Area Number |
21H04435
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Research Institution | Tohoku University |
Principal Investigator |
佐藤 宇史 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (10361065)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
相馬 清吾 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (20431489)
中山 耕輔 東北大学, 理学研究科, 助教 (40583547)
菅原 克明 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70547306)
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Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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Keywords | エキゾチック準粒子 / 角度分解光電子分光 |
Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、昨年度に引き続き、角度分解光電子分光(ARPES)-分子線エピタキシー(MBE)複合装置の開発と、それを用いたエキゾチック準粒子の探索を行った。真空紫外レーザー光源系のprobe光とpump光の同期などにより、2光子ARPESができるように調整を行った。また、試料位置の精密制御のために、高速クローズドループ制御の試料精動機構を導入して装置の除振対策を施すことにより、高精度の空間分割ARPES測定を実現した。MBE装置においては、試料作製槽内に組み込んだ蒸着源、回折装置、膜厚モニタなどの最適化調整により、原子層物質における高精度ARPES測定を実現する舞台を整えた。本装置や高輝度放射光を用いて、主に以下に示す研究成果を得た。線ノード型準粒子をもつと期待されるトポロジカル半金属超伝導体CaSb2の電子構造を決定し、線ノード型準粒子が現れる電子ポケットが欠如した状態でも超伝導が現れることを見出し、ブリルアンゾーンの中心におけるホールポケットが超伝導に重要な役割を果たすことを示唆した。カゴメ超伝導体Cs(V1-xNbx)3Sb5の電子構造をARPESによって決定した。その結果、これまで提案されている超伝導機構のモデルはVの電子だけを考慮したものがほとんどであったのに対して、V電子とSb電子が協力しながら超伝導を実現していることが明らかになった。原子層遷移金属ダイカルコゲナイドの研究においては、ダビデの星が密に整列することでモット絶縁体になるNbSe2とは異なり、原子層NbTe2はダビデの星が隙間を空けながら規則的に配列した金属となることを初めて明らかにした。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ARPES-MBE複合装置の開発においては、微小スポット低エネルギー励起光源系の開発・調整が進み、2光子光電子分光を含めた高精度の空間分解ARPES実験が行えるようになった。また、MBE装置と連動したARPES実験や試料育成と電子状態解析のフィードバックも問題なくできるようになった。原子層遷移金属大ダイカルコゲナイドNbTe2における特異なダビデの星型電荷秩序構造の観測は、ダビデの星の配列パターンにより原子層物質の伝導性を制御できることを示したものであり、原子層材料における新たな物性創発やデバイス化への道を拓くと期待される。また、かごめ超伝導体で明らかになったVとSb軌道の協働性は、超伝導機構の解明とより高い温度で超伝導になる物質の設計に指針を与えるものである。以上のことから、本研究は概ね順調に進展していると判断した。
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Strategy for Future Research Activity |
今後は、ARPES-MBE複合装置の開発とそれを用いたエキゾチック準粒子の探索を、主に以下の内容について行う。(1) 空間分割ARPES装置の開発: 2光子ARPESシステムの光路系の調整を行い、空間分割ARPES測定に加えて、フェルミ準位より上の電子構造のスピン偏極バンド構造を決定できるようにする。(2) 原子層薄膜作製MBE装置の開発: 原子層薄膜MBE-ARPES複合装置の整備を継続し、種々の原子層薄膜の作製とその場構造評価を行う。(3) マヨラナ準粒子の母体となる超伝導ヘテロ構造の開拓: マヨラナ準粒子探索のプラットフォームとして最近注目されているカゴメ超伝導体の電子構造を高精度で決定し、トポロジカル超伝導の可能性を検証するとともに、エキゾチック二次元格子を有する系と超伝導体のヘテロ構造を作製して、フェルミ面のトポロジーを決定する。(4) 磁性トポロジカル物質におけるアキシオンの探索: アキシオンを内包すると期待される反強磁性絶縁体において空間分割ARPES測定を行い、反強磁性ドメインを分離した表面およびバルクの電子状態の解明を行い、そのトポロジカル性を検証する。(5) 結晶対称性に基づいた多重ノーダル準粒子の実証: 新奇エキゾチックノーダル準粒子が内包されると期待されるトポロジカル半金属候補物質において、空間分割ARPESによってバルク、表面、およびエッジ状態を分離観測し、新型準粒子のバンド構造の決定を目指す。 (6) 圧力印加ARPESによるエキゾチック準粒子制御: 熱膨張率の違いや力学的歪みを利用して1軸および2軸圧力を試料に印加できる機構を開発してARPES装置に組み込み、量子相転移点に近いディラック電子系や、対称性に保護されたディラック電子系において、圧力印加による準粒子の質量変化を検出する。
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Research Products
(75 results)
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[Presentation] Micro-ARPES study of the kagome superconductor CsV3Sb52023
Author(s)
Takemi Kato, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, Takafumi Sato
Organizer
APS March Meeting 2023
Int'l Joint Research
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[Presentation] マイクロARPESによるカゴメ超伝導体AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs)の電子状態2023
Author(s)
加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, Min Liu, Zhiwei Wang, 相馬清吾, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, Yugui Yao, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会2023年春季大会
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[Presentation] マイクロARPESによる反強磁性体NdSbの新奇表面電子状態2023
Author(s)
本間飛鳥, 高根大地, 相馬清吾, Y. Wang, 中山耕輔, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, 安藤陽一, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会2023年春季大会
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[Presentation] High-resolution ARPES study of a kagome superconductor Cs(V1-xNbx)3Sb52022
Author(s)
Takemi Kato, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Fumihiko Matsui, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
Organizer
International Workshop on Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (CORPES22)
Int'l Joint Research
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[Presentation] μ-ARPES study of antiferromagnetic topological insulator candidate NdBi2022
Author(s)
A. Honma, D. Takane, S. Souma, Y. Wang, K. Nakayama, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Tanaka, T. Kim, C. Cacho, T. Takahashi, Yoichi Ando, and T. Sato
Organizer
International Workshop on Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (CORPES22)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Three-Dimensional Nature of Charge-Density Wave in Kagome Superconductor KV3Sb5 Studied by ARPES2022
Author(s)
T. Kato, Y. Li, T. Kawakami, M. Liu, K. Nakayama, Z. Wang, A.Moriya, K. Tanaka, T. Takahashi, Y. Yao, and T. Sato
Organizer
13th International Conference on Materials and mechanisms of Superconductivity & High Temperature Superconductors(M2S)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Micro-ARPES study of ferromagnetic layered oxide Sr4Ru3O102022
Author(s)
S. Souma, N. Watanabe, K. Nakayama, K. Yamauchi, J. F. Ribeiro, Y. Wang, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Oguchi, T. Takahash, Z. Q. Mao, Y. P. Chen, and T. Sato
Organizer
29th International Conference on Low Temperature Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Electronic structure of monolayer VS2 thin film studied by ARPES2022
Author(s)
T. Kawakami, H. Oka, K. Yaegashi, K. Nakayama, K. Sugawara, T. Kato, Y. Saruta, S. Souma, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, T. Fukumura, T. Sato
Organizer
29th International Conference on Low Temperature Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Micro-ARPES study of Bismuth2022
Author(s)
守谷歩美, 中山耕輔, 徳山敦也, 前田健作, 川上竜平, 相馬清吾, Chaoyu Chen, Jos Avila, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, 藤原航三, 瀬川耕司, 佐藤宇史
Organizer
29th International Conference on Low Temperature Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Observation of Domain-Dependent Dirac-Cone Surface States in Antiferromagnetic NdBi by Micro-ARPES2022
Author(s)
A. Honma, D. Takane, S. Souma, Y. Wang, K. Nakayama, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Tanaka, T. Kim, C. Cacho, Y. Ando, and T. Sato
Organizer
29th International Conference on Low Temperature Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] μ-ARPESによる反強磁性トポロジカル絶縁体NdBiのドメイン依存Dirac電子状態2022
Author(s)
本間飛鳥, 高根大地, 相馬清吾, Y. Wang, 中山耕輔, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 田中清尚, T. Kim, C. Cacho, 高橋 隆, 安藤陽一, 佐藤宇史
Organizer
日本放射光学会 第14回若手研究会 次世代放射光で切り拓く軟X線科学
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[Presentation] 新型トポロジカル物質候補CdGeAs2のARPES2022
Author(s)
岩谷 拓実, 守谷 歩美, 中山 耕輔, 本間 飛鳥, 加藤 剛臣, 川上 竜平, 菅原 克明, 相馬 清吾, 田中 清尚, 北村 未歩, 堀場 弘司, 組頭 広志, 高橋 隆, 瀬川 耕司, 佐藤 宇史
Organizer
日本放射光学会 第14回若手研究会 次世代放射光で切り拓く軟X線科学
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[Presentation] 角度分解光電子分光によるカゴメ超伝導体KV3Sb5の異方的CDWギャップの観測2022
Author(s)
加藤剛臣, 川上竜平, 守谷歩美, 中山耕輔, Yongkai Li, Min Liu, Zhiwei Wang, 田中清尚, 高橋 隆, Yugui Yao, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会 2022年秋季大会
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[Presentation] カゴメ超伝導体CsV3Sb5におけるNb置換効果:高分解能ARPES2022
Author(s)
加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, Zhiwei Wang, 相馬清吾,松井文彦, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, Yugui Yao, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会 2022年秋季大会
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[Presentation] 原子層 NbS2 薄膜の電子状態:マイクロARPES2022
Author(s)
川上竜平, 八重樫 健, 栁沢幸紀, 中山耕輔 ,菅原克明, 相馬清吾, 北村未歩,堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会2022年秋季大会
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[Presentation] 反強磁性体NdBiにおけるトポロジカル電子状態のマイクロARPES観測2022
Author(s)
相馬清吾, 本間飛鳥, 高根大地, Y. Wang, 中山耕輔, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 田中清尚, T. Kim, C. Cacho, 高橋隆, 安藤陽一, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会 2022年秋季大会
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[Presentation] トポロジカル絶縁体候補カルコパイライト構造物質のARPES2022
Author(s)
岩谷 拓実, 守谷 歩美, 中山 耕輔, 本間飛鳥, 加藤 剛臣, 川上 竜平, 菅原克明, 相馬 清吾,田中 清尚, 北村 未歩, 堀場 弘司, 組頭 広志, 高橋 隆, 瀬川 耕司, 佐藤 宇史
Organizer
日本物理学会 2022年 秋季大会
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[Presentation] マイクロ ARPES による反強磁性トポロジカル絶縁体のドメイン依存電子状態の観測2022
Author(s)
本間飛鳥, 高根大地, 相馬清吾, Y. Wang, 中山耕輔, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 田中清尚, T. Kim, C. Cacho, 高橋 隆, 安藤陽一, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会 2022年秋季大会
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[Presentation] 原子層MoTe2の電子状態:マイクロARPES2022
Author(s)
菅原克明, 猿田康朗,岡博文,川上竜平, 加藤剛臣, 中山耕輔, 相馬清吾, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 福村知昭, 佐藤宇史
Organizer
2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
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[Presentation] Surface-termination-dependent electronic states in a kagome superconductor CsV3Sb5 studied by micro-ARPES2022
Author(s)
Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Yongkai Li, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
Organizer
The 6th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 5th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science
Int'l Joint Research
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[Presentation] Domain-dependent Dirac-cone surface states in antiferromagnetic topological insulator NdBi studied by micro-focused ARPES2022
Author(s)
A. Honma, D. Takane, S. Souma, Y. Wang, K. Nakayama, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Tanaka, T. Kim, C. Cacho, T. Takahashi, Yoichi Ando, and T. Sato
Organizer
The 6th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 5th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science
Int'l Joint Research
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